Поверхностное натяжение и смачивающая способность

Атомы, находящиеся внутри вещества, со всех сторон окружены другими атомами, и силы их взаимодействия с соседями скомпенсированы — равнодействующая этих сил равна нулю. С другой стороны, поверхностные атомы окружены ближайшими соседними лишь частично: часть сил их химических связей с соседями остается нескомпенсированной. Таким образом, поверхностные атомы обладают избытком свободной энергии. Образование любой новой поверхности можно условно уподобить переводу части атомов из внутренних частей решет­ки на поверхность, при этом должны быть разорваны или искажены связи этих атомов с другими атомами, а это требует определенных затрат энергии. Эти затраты энергии, отнесенные к единице площади, и характеризуют собой поверхностную энергию.

Свободная или удельная поверхностная энергия s_s характеризу­ется работой, затрачиваемой на увеличение поверхности на единицу площади, и имеет размерность в системе СИ Дж/м².

Поскольку всякая система стремится к минимуму своей свобод­ной энергии, система, имеющая поверхности раздела, стремится уменьшить поверхностную энергию. Это осуществляется за счет сил поверхностного натяжения, являющихся проявлением действия по­верхностной энергии. Поверхностным натяжением (s) называется величина силы, действующей на единицу длины по касательной к поверхности и в системе СИ она имеет размерность Н/м.

Поверхностная энергия и поверхностное натяжение являются функциями энергии межатомной связи и при равных условиях увеличиваются с увеличением силы взаимодействия между атомами, т.е.поверхностная энергия и поверхностное натяжение у твердых тел значительно больше, чем у жидкостей.

Величина поверхностного натяжения на границе раздела фаз определяет такое важное свойство жидкостей и расплавов, как смачивающая способность. Степень смачивания определяется соот­ношением величин поверхностного натяжения соприкасающихся фаз. Способность к смачиванию характеризуется так называемым краевым углом смачивания (рис. 15). Краевым угломсмачивания твердой фазы жидкой называется угол, образованный поверхностью твердой фазы и касательной к поверхности жидкой фазы, проведенной из точки соприкосновения трех фаз — жидкой, твердой и газообразной и замеренный в жидкой фазе.

Краевой угол смачивания q служит мерой смачивающей способ­ности расплава или жидкости. При q < 90° (т.е. при остром угле) рас­плав смачивает твердую поверхность, а при q > 90° (т.е. при тупом угле) — не смачивает. Чем больше краевой угол смачивания, тем хуже смачивание, и наоборот.

Величина краевого угла смачивания зависит прежде всего от при­роды соприкасающихся фаз и температуры (обратная зависимость).

Условия равновесия на границе трех фаз определяются уравне­нием:

где s_тг — поверхностное натяжение на границе твердая фаза — газ;

s_тж —поверхностное натяжение на границе тв. фаза — жидкость;

s_жг - поверхностное натяжение на границе жидкость — газ;

Из приведенного уравнения следует:

Соответственно, смачивание поверхности твердого тела жидко­стью будет тем лучше, чем больше s_тг на границе твердое тело — газ и меньше на границах тв. тело — жидкость и жидкость — газ, т.е. при увеличении соs и уменьшении q. Равновесная форма капли на поверхности твердого тела соответствует минимальной поверхностной энергии всех присутствующих фаз. Если энергия поверхности раздела твердая фаза — жидкость велика, капля стремится принять форму шара, чтобы уменьшить поверхность соприкосновения этих фаз и наоборот.

При q = 0° имеют место абсолютное смачивание и предельное растяжение жидкости по поверхности твердой фазы_. Абсолютное несмачивание отвечает значению q = 180°. Краевой угол, рав­ный 90°, является граничным случаем.

Величина поверх­ностного натяжения и связанная с ней смачивающая способность, оказывают существенное влияние как на процесс получения различ­ных силикатных материалов, так и на их свойства.

При варке стекла, например, величина поверхностного натяже­ния расплава стекла влияет на удаление из стекломассы газовых пузырей (осветление стекла), поскольку она определяет величину пузырей. Поверхностное натяже­ние сильно влияет и на процесс формования (выработки) стеклоизделий. Например, при изготовлении листового стекла на машинах вертикального вытягивания лента стекла под действием сил поверх­ностного натяжения стремится сузиться, против чего необходимо принимать ряд мер. Острые края стеклоизделий при оплавлении принимают сферическую форму также под влиянием сил поверхност­ного натяжения.

Смачивающая способность силикатных расплавов имеет решающее значение для процессов глазурования и эмалирования. При глазуровании керамических изделий состав и свойства глазури, а также температура глазурования должны подбираться таким обра­зом, чтобы обеспечить достаточную степень смачивания керамики, при которой глазурь будет равномерно растекаться по поверхности керамики, прочно сцепляться с поверхностью керамического изде­лия и не отставать от нее, собираясь в капли.

Некоторые оксиды, вводимые в силикатные расплавы, имея в жидком состоянии более низкую поверхностную энергию, чем основ­ной расплав, стремятся сконцентрироваться на поверхности, образуя на ней устойчивый слой и резко понижая величину поверхностного натяжения. Такие вещества называются поверхностно-активными. Для силикатных расплавов поверхностно-активными служат такие малорастворимые оксиды, как МоО₃, WО₃, Аs₂О₅ и другие оксиды тяжелых металлов. Уменьшая поверх­ностное натяжение, поверхностно-активные вещества увеличивают смачивающую способность силикатных расплавов. Это используется на практике для улучшения смачивания керамики расплавами глазурей, что достигается прибавлением с ним поверхностно-активных веществ.